大型医疗设备钢构件组合受力优化设计经验

碳素结构钢、铝合金在日常设计中很常见，本文着重从常见的Q235A 、Q345A、6061等材料出发，通过力学分析反应其在设计中的应用。也希望材料商从中看到商机和不足。

1 某大型医疗设备钢结构件力学分析背景

本次CE认证测试中应第三方认证机构要求，我们需要对某大型医疗设备钢结构件做承载说明。基于三方认证单位与我司在承载系数是2.5倍还是4倍存在分歧。故此本人就分别按照135KG正常承载（我司设计人员的理解）、2.5倍承载、4倍承载分别作计算分析。不满足要求是同时给出处置方案。（W1为患者体重135KG、W2为起吊前端悬臂及其附属设施总重为100kg）。

GB9706.1中某大型医疗设备类似力学模型

GB9706.1中针对承载系数2.5或者4的说明

2 某大型医疗设备钢结构件材质等基本情况介绍

某大型医疗设备主要是两种材质、主要以Q235A和6061-T6构成。在设计时主要承载钢架材质为Q235A焊接而成，且焊缝质量上规定了焊缝强度不得低于母材强度。

某大型医疗设备钢构件材质示意图（未注小件材质也为6061-T6）

3分析方法简介

本次分析软件为proe4.0野火的专业线性分析模块也即是proemechia。其算法是P-method，通过提高有限元求解的介次同时缩小其收敛误差。其线性力学分析和ANSYS不分伯仲。本次分析通过控制底部连接和两根6061-T6材质的悬臂网格大小来尽可能提高其运行效率和可靠性。

本次分析针对原始模型做了一定简化，将一些不需要的小孔、特证删减已达到提高效率。分析时将底部凸台固定，然后再几个轴承座加载。几个轴承座加载的力总和就是GB9706.1中W=(W1+W20) ×SF。

针对这次分析我将分别就正常承载135KG、2.5倍承载、4倍承载做专门分析。

W1=135KG

W2=100KG

SF=2.5或者4

• 6061-T6 泊松比为0.3 、杨氏模量为68947.6Mpa、屈服强度不低于275Mpa、抗拉强度不低于310Mpa
• Q235A 泊松比为0.27、杨氏模量为199937Mpa、 屈服强度不低于235Mpa、抗拉强度不低于465Mpa（优质钢经过一定处理）
• Q345A泊松比为0.27、杨氏模量为199937Mpa、 屈服强度不低于345Mpa、抗拉强度不低于630Mpa（优质钢经过一定处理）
• 40Cr泊松比为0.29、杨氏模量为200600Mpa、 屈服强度不低于800Mpa、抗拉强度不低于1000Mpa

某大型医疗设备钢构件模型网格

某大型医疗设备钢构件加载和固定情况

4 在正常135Kg载荷下的分析

最大应力115.6Mpa（位于立柱连接器底部）

最大位移位于图示红色最前端为6.3mm

由上可见在正常的载荷下，某大型医疗设备的钢结构件能满足使用。如果在材料不屈服下安全系数为2.02，如果按照不断裂安全系数4.02。（立柱连接器按照Q235A）故钢架安全不会断裂。

5 在587.5Kg(2.5倍) 的情况下分析

最大应力503Mpa（位于立柱连接器底部）

最大位移位于图示红色最前端为27.5mm

由上可见在正常的载荷下，某大型医疗设备的钢结构件能满足使用。如果在材料不屈服下钢构件已经发生部分塑性变形，如果按照不断裂安全系数1.25。（立柱连接器按照Q345A）故钢架安全不会断裂。

6 在940Kg(4倍) 的情况下分析

最大应力805Mpa（位于立柱连接器底部）

最大位移位于图示红色最前端为44mm

由上可见在正常的载荷下，某大型医疗设备的钢结构件能满足使用。如果在材料不屈服下钢构件已经发生部分塑性变形，如果按照不断裂安全系数1.24。（立柱连接器按照40Cr或者相近的45）故钢架安全不会断裂。

7 分析总结与对应措施

7.1 在正常的135kg载荷下某大型医疗设备能很好的满足设计和使用，同时也满足GB9706.1的规定。

7.2 如果根据587.5kg（也就是W1+W2和的2.5倍数），如果不改变立柱连接器的设计将材质更换为常见的Q345A也能满足GB9706.1的规定，而不发生断裂。同时如果稍微将立柱连接器局部（应力最大处）做强化Q235A也可以满足在该载荷下不断裂。但是这样不经济改动较大，受限于玻璃钢升降等布局。所以还不如直接换Q345A来的直接。

7.3 如果根据940kg(也就是W1+W2和的4倍数)，如果不改变立柱连接器的设计将材质更换为常见的40Cr或者45也能满足GB9706.1的规定，而不发生断裂。

8 针对GB9706.1的理解与对应措施

立柱连接器（材料可换）

GB9706.1中的SF有两种情况分别为2.5和4。SF=4属于材料的拉伸强度和所有预期的外力都不可确定。SF=2属于材料抗拉强度和预期外力都可以确定。而我们某大型医疗设备所用的材料无论是6061-T6、Q235A、Q345A、40Cr的抗拉强度都可以确定不小于某一数值。所以从材料抗拉强度来说我们属于SF=2中所规定材料抗拉强度可以确定的。至于所有预期外力，因为我们的设备在吊动人体时速度极慢9转/分。所以使用过程无振动冲击且速度均匀。我们能够预期的外力就是起吊时与停止时的冲击力与吊架的扰动力度。然而这个力度十分小。综上从某大型医疗设备钢构件的设计者以及体位搬动机构的原始设计者，我深刻的坚信我们的额情况适用SF=2.5。因为无论是材料抗拉强度还是所有预期外力我都可以确定。针对安全带我已经会同质量部郭林做了针对实验。将安全带夹块和安全带夹持在一起后，在拉伸机上做了480kg拉力还没发生一点断裂情况。我们是4跟安全带一同出力吊动。我们只按3根构成一个受力面反推计算，我们安全带一共至少可承载1440kg。这样安全带来看起吊时其安全系数至少为10.6。

综上我们可见某大型医疗设备的钢构件设计的满足GB9706.1之规定的。无论是SF=2.5还是SF=4都可以通过更换立柱连接器材料不引起其余变动的措施满足要求。只不过我们是满足SF=2.5就没必要去按照SF=4设计，因为那样不经济。